Qu’est-ce qu’un réacteur de recherche ?

Les réacteurs de recherche sont des piliers de la recherche scientifique, distincts des réacteurs de puissance par leur vocation non énergétique et leur faible puissance. Leur mission principale ? Produire des neutrons essentiels à l’avancement des connaissances dans divers domaines liés au nucléaire et à l’industrie, mais aussi simuler des situations accidentelles.

Les réacteurs de recherche n’ont donc pas vocation à produire de l’électricité comme un réacteur de puissance et sont d’ailleurs de très faible puissance en général. Leur objectif premier est de produire des neutrons. Ces derniers vont ensuite pouvoir être utilisés pour faire avancer la recherche scientifique et l’industrie à travers le monde.

On dénombre cinq types de réacteurs de recherche :

1. Les réacteurs d’irradiation, aussi appelés MTR pour Material Testing Reactor, permettent d’étudier et de tester les matériaux et les combustibles nucléaires qui pourront être utilisés dans les réacteurs de puissance. Ils servent aussi pour la production de radio-isotopes (tel que le technétium 99m, largement utilisé pour l’imagerie médicale) pour le secteur médical.
2. Les réacteurs « à faisceaux de neutrons » sont utilisés pour la production de neutrons. Ils sont ensuite conduits hors du réacteur et sont utilisés pour analyser et tester divers matériaux à l’extérieur du réacteur. Ils permettent de faire progresser la recherche sur les matériaux pour le spatial, la médecine ou l’électronique par exemple.
3. Les maquettes (ou assemblages) critiques sont utiles à la recherche fondamentale en neutronique et sur la physique des cœurs. Ils permettent de mettre en application les études théoriques sur la recherche des réacteurs à neutrons rapides ou sur la transmutation des actinides mineurs par exemple.
4. Les réacteurs d’études de sûreté sont utilisés pour étudier des situations accidentelles. Des situations contrôlées sont mises en place par les chercheurs pour reproduire des évènements qui pourraient se produire sur des réacteurs de puissance (perte de refroidissement, augmentation de pression…).
5. Les réacteurs d’enseignement sont des reproductions de réacteur de puissance à une échelle plus petite et de beaucoup plus faible puissance. Ils sont utilisés dans un cadre universitaire mais aussi pour former le personnel de l’industrie nucléaire.

Au-delà de leur utilisation, ces réacteurs peuvent être différents suivant leur conception. Elles sont multiples mais deux plus courantes sont largement majoritaires.

1. Les réacteurs à eau lourde de type « cuve dans une piscine ». Cette conception est particulièrement adaptée pour la production et l’extraction de neutrons et pour la recherche fondamentale.
2. Les réacteurs à eau légère. Le cœur du réacteur est toujours placé dans une piscine et soit ouvert, nommé réacteur « piscine », soit enfermé dans un caisson, dit « à eau sous pression ». Dans cette dernière configuration, le réacteur peut fonctionner à des puissances (et pressions) plus élevées mais le cœur est plus difficile d’accès. Les réacteurs à eau légère sont utilisés pour l’irradiation et pour des tests sur divers matériaux.

Le cœur du réacteur, quelle que soit la configuration, est donc placé dans une piscine d’eau de grande dimension qui va servir de bouclier contre les radiations et de moyen de refroidissement.

La qualité spécifique de l’eau va aussi permettre de préserver l’intégrité des assemblages combustibles. La différence entre l’eau lourde (D₂O) et l’eau légère (H₂O) se joue sur leurs propriétés en tant que modérateur dans le réacteur et ainsi leur pouvoir à ralentir les neutrons. L’eau lourde peut générer de plus importants flux de neutrons contrairement à l’eau légère qui a une plus forte tendance à les absorber.

A noter que la lumière bleue qui émane de l’eau est liée à l’effet « Tcherenkov ». Cette source lumineuse correspond à l’interaction des électrons libérés par le combustible nucléaire avec l’eau de la piscine. Plus la puissance du réacteur s’élève, plus le nombre d’électrons libérés est élevé, plus cette lumière bleue s’intensifie.

Quelques exemples notables

Depuis le début des années 50, plus de 800 réacteurs de recherche ont été construits dans le monde, mais seulement un peu plus d’un quart, répartis dans 58 pays, sont encore en activité aujourd’hui. Plus de 50 % sont des réacteurs d’irradiation (MTR) ou à faisceaux de neutrons, plus de 20 % sont de type « maquette critique » ou pour les études de sûreté et un peu plus de 10 % sont voués à l’enseignement.

À travers le monde, les technologies sont donc diverses et permettent de répondre aux besoins attendus, quelques exemples :

• Les réacteurs TRIGA, pour Training, Research, Isotopes, General Atomics sont les plus nombreux dans le monde. Ce sont des petits réacteurs de recherche de type piscine à eau légère d’une petite dizaine de MW, qui ont un large panel d’utilisation allant de la production de radio-isotopes à l’enseignement, en passant par la recherche fondamentale.
• Le réacteur Masurca, mis en service en 1966 en France sur le site du CEA à Cadarache et à l’arrêt définitif depuis 2018, d’une puissance de 5 KW, est de type « maquette critique » et a permis par le passé d’étudier la surgénération (neutrons rapides) et a été aussi utilisé pour des études sur la 4^ème génération.
• Le réacteur de recherche Jules-Horowitz (RJH), actuellement en construction sur le site du CEA à Cadarache, est un réacteur d’irradiation et aura donc une double vocation : tester et qualifier les combustibles et matériaux sous irradiation pour les réacteurs actuels et futurs et fournir des radio-isotopes pour la médecine nucléaire. ■